Внутри инноваций 3D-печати: Скотт ДеФеличе из Oxford Performance Materials о развитии высокопроизводительных полимеров

Пока общеупотребительные полимеры вроде ABS и нейлона доминируют на рынке материалов для 3D-печати, растёт спрос на прочные, функциональные материалы, выдерживающие суровые среды и высокие температуры.

Эти материалы, известные как высокопроизводительные полимеры, всё больше востребованы пользователями 3D-печати в авиации и медицине. Ключевые высокопроизводительные полимеры для 3D-печати принадлежат семейству полиарилэтеркетонов (PAEK) термопластиков, предлагающих высокую тепловую стабильность и отличную механическую прочность. На рынке всего несколько компаний разрабатывают такие материалы — одна из них Oxford Performance Materials (OPM). Находится в Коннектикуте, OPM фокусируется на материале PEKK из семейства PAEK и развила проприетарные технологии и устройства вокруг этого термопластика. Чтобы узнать больше об OPM и их предложениях, мы связались с CEO компании Скоттом ДеФеличе. Обсудили ключевые применения 3D-печатного PEKK, тренды и вызовы, формирующие рынок материалов для 3D-печати.

Расскажите об Oxford Performance Materials и миссии компании?

Oxford Performance Materials основан в 2000 году. Мы — компания высокопроизводительных термопластиковых материалов. Все время фокусируемся на одном полимере — Poly Ether Ketone Ketone (PEKK). С 2000 года развиваем технологии вокруг этого материала.

PEKK — вершина пищевой цепи термопластиков в мире термопластиков. Это сверхвысокопроизводительный полимер благодаря отличным тепловым, химическим, механическим свойствам и биосовместимости.

Сегодня у нас широкое портфолио интеллектуальной собственности и патентов — от синтеза PEKK до обработки, подготовки порошков для 3D-печати, печати с материалом. В 3D-печати активность началась около 10 лет назад с разработкой процесса селективного лазерного плавления для 3D-печати PEKK. Запустили первые коммерческие 3D-печатные устройства около 2006 для медсферы. Начало 3D-печатной разработки. В 2008 FDA одобрил наше первое устройство — черепной имплант, пациент-специфичный, распространяемый по всему миру через Zimmer Biomet. Постоянное производство черепно-лицевых имплантов каждый день. Перешли к спинальным имплантам более 3 лет назад — продукты продаются в партнёрстве с RTI Surgical. Отгрузили более 70 000 спинальных имплантов. Недавно получили ещё одно FDA-одобрение в спортивной медицине — швы для хирургического повторного прикрепления мягких тканей к кости. Параллельно разработали и валидировали технологию для космоса и обороны — получили сертификацию Boeing и Northrop Grumman среди других. С тех пор продали этот бизнес одному из стратегических партнёров — Hexcel, у которых масштаб для поддержки. OPM подходит к 3D-печати не с точки зрения прототипирования, перешедшего в производственные детали. Мы — продвинутая материальная компания, обнаружившая, что их материал отлично подходит для аддитивного производства по интересным техническим причинам. Теперь вертикально интегрированы в эти бизнесы и продолжаем эксплуатировать платформу материалов и технологий.

Как видите развитие 3D-печатного материального пространства за годы и куда траектория в терминах стоимости материалов и их разработки?

3D-печать — процесс, и то, что делает его уникальным и разрешающим — материал, используемый с ним. Всегда говорю: можно напечатать яблоко, но потом его надо съесть. Значит, печатать нужно материалами с функциональностью для конечных рынков и применений. Видели, как за годы металлический AM стал популярен — потому что функциональные свойства полезны в конкретных конечных рынках. Думаю, тренд продолжится. Материалы — полимерные, металлические и другие — будут эволюционировать для большей функциональности в конечных рынках, какими бы они ни были. Интересно про стоимость — всегда дискуссия «материалы слишком дорогие». Аргументирую: по мере перехода в более высокопроизводительные конечные рынки и материалы становятся более способными, стоимость материалов сама по себе становится менее значимой. Пример: продаём ортопедические импланты — черепной имплант в больнице может продаваться за $10,000. Но стоимость материала — довольно малая часть затрат. Остальное — качество, регуляторика, производственные системы для продажи в строго регулируемом рынке — биомедицина, космос/оборона, полупроводники. Так что по мере эволюции индустрии от прототипов к конечным продуктам — производительность материала критична, а компонент стоимости материала становится менее драйвером.

Можете расширить на другие отрасли, помимо медицинской, способные пользоваться вашими материалами для 3D-печати?

OXFAB® ESD Сложный структурный компонент для системы ревитализации воздуха Boeing CST 100 Starliner [Источник изображения: OPM]

Начали в очевидных местах — биомедицина и авиация — потому что долгое наследие обслуживания этих рынков. Но теперь поднимаем голову и смотрим вокруг. Конечные рынки очень специфичны к производительности наших материалов. Наш PEKК, например, любит кислотные и щелочные среды — туда идем по среде. Одна область, за которой следим — улавливание углерода (carbon capture). Технология работает сегодня, но капитальные затраты заводов слишком высоки. Посмотрели — много возможностей для наших материалов и 3D-печати. Скоро анонсируем коллаборацию с одним из ведущих гослабов USA в этой области. Также фармацевтические и биопроцессы — где нужен материал с атрибутами нашего полимера для повышения эффективности процессов и снижения капитальных затрат. Очевидно, с COVID-19 нужно масштабировать некоторые процессы — нужно много сложной структуры и правильной высокочистой химии. Следим за этим близко. Класс поликетонов делает очень интересные вещи. Потратили много миллионов долларов на понимание производительности наших 3D-печатных деталей. Поэтому наши детали летят на пилотируемых кораблях, поэтому у нас тысячи деталей в теле человека. Потому что сделали исчерпывающую работу по характеристике того, что печатаем — до комфорта людей, которые очень серьезно относятся к тому, что эти структуры делают на практике.

Как выглядит процесс разработки и тестирования материала для 3D-печати?

Обычно две части. Развиваем материал и процесс — проходим внутреннюю оценку: от аналитических методов, разработанных за годы, до довольно конвенциональных механических, тепловых, электрических скрининговых тестов на уровне разработки. Получили базу — «Да, это воспроизводимый продукт и мы его понимаем» — первая база. Чтобы дойти до дома — в каждой отрасли, печатаете ли, литьё, обработку или что угодно — есть известные способы понять производительность: ASTM, ISO, компания-специфичные, госстандарты. Хороший пример — авиация. После всей работы и обеспечения стабильного повторяемого процесса — должны сделать MIL-17 стандарт, дающий статистическую оценку производительности на очень высокой предсказуемости — B-Basis. Только эта программа шла несколько лет и требовала миллионы долларов. Делали в коллаборации с NASA и Northrop Grumman — довольно исчерпывающая отраслевая оценка. В биомедицине — спинальные импланты: сначала исчерпывающая серия ISO 10993 тестов — биосовместимость и чистота. Проверили галочку «материал как напечатан чист и биосовместим, не токсичен» — теперь хотим использовать в спинальный имплант. Есть другая серия механических тестов по ASTM F2077, специфичная для спинальных имплантов. Пройдя — можно сделать сабмишн в FDA с этими данными. Сначала внутренние тесты для комфорта, потому что другие режимы тестов очень дорогие. Не хочешь делать, если нет большой уверенности в прохождении. Это для каждого конечного рынка, особенно в нашем классе материалов. Для технических материалов стандарты ниже — риск внедрения ниже.

Известно, что полимеры заменяют металлы в некоторых приложениях. Приведите примеры, как высокопроизводительные полимеры смогли заменить металлы?

30 лет назад — стабильное продвижение полимеров, заменяющих металлы. В 1970-х машины весили в 2 раза больше современных, почти всё металл, пылесос — металл. Сейчас — доля веса, в основном пластик. Тренд замены металлов полимерами по разной функциональности — давно установлен. 3D-печать — просто другой процесс для замены металлов — причины: стоимость, вес, коррозия. Постоянно ищем возможности замены металлов для снижения затрат, веса, повышения эффективности устройств. Хорошие примеры — спинальные клетки, устройства слияния, сращивающие позвоночник при хронической боли. Исторически делали из токарной титановой заготовки, теперь печатаем PEKK.

Другой пример — черепные импланты из 3D-печатного титана. Сегодня делаем из 3D-печатного PEKK. Смотря на углеродный захват — именно это: замена дорогой обработанной нержавейки или титана 3D-печатным PEKK. Идея перехода от металлов к полимерам — мегатренд давно. Ускоряется последние годы, 3D-печать теперь часть этой большой истории, включая нефть/газ и транспорт, где есть ранние проекты с партнёрами.

Говоря о трендах, видите ли тренды в пространстве 3D-печатных материалов?

[Источник изображения: OPM]

В металлической стороне — люди пытаются довести металл AM к более известным и предсказуемым морфологиям. Не хочу в технические дебри, но 3D-печать металла — не моральный эквивалент сырого, кованого или литого металла. Это другое существо. Когда индустрия стала популярной — много путаницы. Со временем поняли — другое животное. Теперь работают к материалу и процессным технологиям, делающим металл AM более конвенциональным. Думаю, это значительно продвинет металл AM. В полимерной стороне — тенденция сервировать конечные рынки полимерным AM. Два доминирующих материала — Nylon 11 и Nylon 12. Технические материалы, середина полимерной пирамиды. Но ограниченное конечное применение. Не особенно термически или механически робастны. Люди начинают понимать, как подняться по пирамиде. Видим компании вроде BASF, вводящие Nylon 6 — покупает чуть больше производительности. Думаю, продолжим видеть тренд — больше материалов, заполняющих промежутки между OPM с PEKK и материалами в середине пирамиды производительности.

С другой стороны — какие вызовы всё ещё стоят перед сектором 3D-печатных материалов?

Фундаментальный вопрос. Когда смотрели на 3D-печать много лет назад — одно из рассматриваемого: есть ли у нашего полимера базовые атрибуты для 3D-печати? Вопрос сводится к признанию: 3D-печать — процесс консолидации под нулевым давлением. При литье полимера — вдавиваешь в форму, сдавиваешь всё вместе — получаешь консолидацию. Результат — предсказуемая производительность и хорошие механические свойства. 3D-печати этого нет. Низкое или нулевое давление консолидации — FDM, где филамент плавится и укладывается слой на слой. В процессе до 10% пустот — в моём мире пустоты плохие, деталь не робастна. Отлично для прототипа, но не хочешь на ней висеть. Порошковые процессы вроде OPM — лазеры плавят слой порошка на слой, но нет давления. На что полагаешься для повторяемой производительности — полимер, который любит прилипать к себе. Если полимер не связывается хорошо — плохая производительность по Z. PEKK уникален — имеет сродство прилипать к себе. Довольно необычно в мире полимеров. Ответ на ваш вопрос: сдерживало развитие фундаментально новой химии. Придёте в большую химическую компанию: «Можете разработать полимер специально для этой способности прилипать к себе?» — посмотрят странно, потому что миллиард долларов и годы на новые полимеры. Большая сделка. Спросите консультанта по полимерам: сколько по-настоящему новых химий разработано за 20 лет — вероятно, на одной руке, потому что инвестиции настолько существенны. Корпоративная Америка просто не имеет аппетита к этому часто. Так что это большой вызов, и не вижу много такого, честно.

Думаете, это изменится или эволюционирует в ближайшие месяцы и годы?

Новые материальные платформы на основе принципиально новой химии? Не думаю, что случится. Очень удалённо. Процессные технологии продвинутся, люди будут модифицировать существующие материальные наборы с уникальными наполнителями, компатибилизаторами, химией размеров для улучшения. Думаю, там станет интереснее.

Что грядущий год готовит для OPM?

Довольно удачно — в части индустрии, где не опираемся на R&D контракты или венчурный капитал. В части «экономики потребностей». Хотя видели, как в первой фазе COVID доступность больниц упала для обслуживания и отошла от плановых операций — уже видим возвращение бизнеса. Больно для каждого бизнеса, но базовая технология позволит продолжать расти. Прямо сейчас вводим продукт шва — новая низкостоимостная линейка, и даже с COVID будут возможности вывести на рынок.

Также смотрим на новые рынки. Нравится углеродный захват, другие промышленные области, биофарма процессы.

Думаю, COVID-19 в некоторых аспектах драйвит больше капитала и требует больше эффективности к рынкам, где мы естественно подходим, учитывая производительность материалов.

Последние мысли?

Единственное — это конкретное время имеет существенные возможности.

Как компания в 3D-печати, пытались толкать технологии, действительно добавляющие ценность. Когда времена сложные и тугоподобные, как сейчас — люди ищут способы снизить затраты и проникнуть в новые рынки. CEO идут к CTO: «Эй, что у тебя? Нам нужно что-то новое».

Так что если у тебя действительно существенная вещь, не просто другой способ сделать прототип, если что-то изгибает дугу технологии существенно — получишь хорошее слушание сейчас. Видели в своём бизнесе — некоторые двери, в которые стучались раньше, люди не были готовы слышать. Начинаем получать коллбэки: «Эй, расскажите про ту вещь, где можем сэкономить или сделать эффективнее». Поощряю читателей не унывать, если у них реальная технология. Это действительно меняет игру. Интересное время.